趙建宇 張 勇 陳曉霞 李 偉
(1.哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司;2.中國核電工程有限公司河北分公司;3.中國核電工程有限公司)
余熱排出熱交換器是“華龍一號”核電機組余熱排出系統(RHR)的主要設備之一。 屬核安全2級、RCC-M規范2級設備[1]。 其主要功能是:在電廠停堆期間,將從堆芯和反應堆冷卻劑系統排出的熱量傳遞給設備冷卻水系統,使反應堆冷卻劑溫度降至并維持冷停堆值,以進行換料、維修等操作。 筆者重點介紹了余熱排出核級熱交換器關鍵制造工藝,并提出質量控制要點。
余熱排出熱交換器為臥式管殼式列管熱交換器,主要由殼體組件、管束組件、入口/出口水室組件、支座組件組成。 設備外形及尺寸如圖1所示。
圖1 換熱器外形結構示意
設備設計壽命40年, 按照RCC-M規范設計和制造。設備級別、設計參數列于表1、2。因為管側為帶有放射性的冷卻劑, 所以該設備較常規熱交換器安全級別高,質量要求嚴,需要對常規換熱器工藝方法進行升級, 實施更嚴格的質量管理。
表1 設備分級
表2 設備設計參數
2.1.1 技術難點
該換熱器管板材質為022Cr19Ni10鍛件,孔區有效厚度200 mm,共有1 100個φ16.2 mm的管孔,呈三角形排布(圖2)。 孔徑公差±0.05 mm、垂直度0.15 mm、最小孔橋4.8 mm。 因不銹鋼材質具有切削變形大、加工硬化嚴重、導熱性能差、切削溫度高及刀具磨損嚴重等加工難點[2,3],故打孔精度不易控制。
圖2 管板結構尺寸及管孔排布
2.1.2 工藝措施
同時針對選定的鉆頭, 匹配不同的進給量、轉速等切削參數進行試驗,綜合考慮孔的表面質量、斷屑情況、孔徑尺寸及加工效率等因素,確定了轉速1 050 r/min、 進給量55 mm/min的切削參數。 基于試驗數據,每支鉆頭打孔數量不超過18個。 最終管板孔各項指標均滿足設計要求。
2.2.1 技術難點
余熱排出熱交換器有兩個支座,均采用雙立板拘束結構,由厚度為30 mm和50 mm的Q345B鋼板拼焊而成,焊腳尺寸為30 mm,如圖3所示。因為熔覆金屬量大、熱輸入量大,導致焊接變形大。 按照制造工藝順序,支座拼焊后、與筒身焊接前,需要進行消應力熱處理,支座變形控制是最大的難點。
圖3 支座結構
2.2.2 工藝措施
首先,根據支座的結構特點,設計了從內向外的組裝順序(圖4),以保證焊接操作的可達性。其次,采用了如下措施減小焊接變形:焊接時,將兩個支座背靠背固定,待消應力后再拆除;支座底板厚度留出余量,待兩個支座拆分后對底板進行二次機加工,保證平面度。 通過上述措施,支座底板變形量最大6 mm,變形控制達到預期。
圖4 支座裝焊工藝順序
2.3.1 技術難點
她要嫁給他,他說,不行,你有丈夫。她說,我要跟你走,不管你到哪,我都跟著。他說,不行,我身邊不能帶著女人。他又說,其實,我們不是朋友,是敵人。
入口/出口水室組件均為022Cr19Ni10不銹鋼鍛件,結構尺寸如圖5所示。 筒身和封頭開孔直徑大、焊縫厚度大且不銹鋼導熱系數小、熱膨脹系數大,故焊接變形控制是制造工藝的關鍵[4,5]。
圖5 水室組件結構尺寸
2.3.2 工藝措施
防變形措施為:首先焊接封頭與筒體,增強組件的剛性, 并將進/出口水室組件連接固定,使用滾輪架,實現TIG自動焊,減小熱輸入;其次焊接接管與筒體、接管與封頭,均在筒體內部的焊縫邊緣使用環形鋼板進行剛性支撐,并在焊接過程使用去離子水對金屬表面進行冷卻,減小熱量在組件上的積聚;最后,在接管端部留有余量,待完成焊接后進行二次加工, 保證接管定位尺寸。從實際控制效果看,封頭接管焊后下沉量在4~6 mm之間、筒體接管下沉量不超過5 mm,余量可保守按10 mm留取。
2.4.1 技術難點
管束組件是屏蔽傳熱管內流體放射性的一道屏障,其結構如圖6所示,由10塊支撐板、9塊折流板組成,折流板和支撐板通過外邊緣的10塊旁路擋板和內部的12支拉桿連接固定。 因為支撐板、折流板與殼側筒體內壁間隙?。? mm),所以管束組裝工藝的關鍵是控制組件的直線度、折流板和支撐板的安裝精度,進而保證傳熱管的穿裝質量和管束組件與殼體的安全套裝,保證傳熱管束的完整性和對管內流體放射性的有效屏蔽。
圖6 管板拉桿組件結構
2.4.2 工藝措施
2.5.1 技術難點
余熱排出熱交換器共有1 100支傳熱管,管子規 格 為φ16 mm×1.2 mm, 材 質 與 管 板 同 為022Cr19Ni10,脹焊結構如圖7所示,管端坡口填絲焊接后進行全深度液壓脹接。
圖7 傳熱管與管板脹焊結構
脹焊接頭性能要求見表3。 開發可靠的脹接和焊接工藝參數,保持大面積重復操作的質量穩定,是該項技術實施和質量控制的關鍵[6]。
表3 接頭性能要求
2.5.2 工藝措施
傳熱管與管板采用先焊后脹的工藝方法。 針對管端內縮的坡口形式, 開發φ1.0 mm焊絲自動鎢極氬弧焊工藝。 管子、管板、焊縫宏觀形貌和產品焊接如圖8所示, 工藝試驗測量焊喉尺寸均大 于1.2 mm,產品焊后PT均無顯示。
圖8 管子管板焊接接頭宏觀形貌及產品焊接
傳熱管與管板采用全深度液壓脹接工藝。 工藝試驗獲得的拉脫力隨脹接壓力的變化如圖9所示。 當脹接壓力達到200 MPa時,拉脫力已滿足設計要求。 但測量壁厚減薄量發現,不能全部滿足減薄0.05~0.10 mm的要求,故保守選用225 MPa的脹接壓力,保壓8 s。
圖9 拉脫力與脹接壓力關系
按照RCC-M F4000進行間隙密封試驗[7],首先施加5 MPa水壓,再保壓10 min無泄漏,滲透速度為20 mm/min,滿足設計要求。
針對“華龍一號”核電機組余熱排出熱交換器結構復雜、 安全級別高及質量要求嚴等特點,分析了不銹鋼管板深孔加工、拘束狀態支座焊接變形控制、不銹鋼水室組件焊接變形控制、管束組裝、 傳熱管與管板脹焊等關鍵工藝的技術難點,開發了相應的工藝措施,并成功應用于國內外4個“華龍一號”核電機組,工藝可靠性和穩定性得到了驗證。